萬(wàn)瓦級(jí)光纖激光深熔焊接厚板金屬蒸汽行為與缺陷控制.pdf

1、激光深熔焊接具有深寬比大、焊接速度快、熱影響區(qū)小、焊接變形小等優(yōu)點(diǎn)。隨著高光束質(zhì)量萬(wàn)瓦級(jí)光纖激光器的出現(xiàn),厚板激光深熔焊接一次成形成為可能,可廣泛應(yīng)用到能源、造船、航空航天、裝備制造、鐵路等大厚度大結(jié)構(gòu)件焊接制造中。然而,這些重大工程項(xiàng)目對(duì)焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性要求極高,只有對(duì)萬(wàn)瓦級(jí)激光深熔焊接過(guò)程機(jī)理進(jìn)行深入而系統(tǒng)的研究,才能從根本上保證穩(wěn)定可靠的焊接接頭質(zhì)量?；谏鲜鰬?yīng)用背景,在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助下,本文對(duì)萬(wàn)瓦級(jí)光纖激光深

2、熔焊接厚板過(guò)程中孔外金屬蒸汽/等離子體、小孔和熔池動(dòng)態(tài)行為,相關(guān)焊接缺陷產(chǎn)生機(jī)理和控制方法進(jìn)行試驗(yàn)和理論研究。本論文開(kāi)展和完成了如下研究工作:
　　(1)借助高速攝影和光譜分析手段,直觀觀測(cè)了萬(wàn)瓦級(jí)光纖激光深熔焊接厚板過(guò)程中孔外金屬蒸汽/等離子體動(dòng)態(tài)行為和光譜信號(hào),并計(jì)算了孔外金屬蒸汽/等離子體特征參數(shù)及對(duì)入射激光的散射吸收作用。結(jié)果表明,孔外金屬蒸汽/等離子體由靠近小孔開(kāi)口藍(lán)光等離子體和位于上方的微紅色的金屬蒸汽組成,前者邊緣形

3、狀鋒利光滑,而后者邊緣形狀變化無(wú)常,高度高達(dá)20mm。發(fā)現(xiàn)孔外金屬蒸汽噴射方向與小孔壁方位密切相關(guān)。光譜分析結(jié)果表明,孔外金屬蒸汽汽/等離子體是弱電離等離子體?？淄饨饘僬羝心Y(jié)的微細(xì)金屬顆粒對(duì)入射激光束的吸收和散射衰減強(qiáng)度是孔外等離子體中自由電子對(duì)激光逆軔致輻射吸收的數(shù)倍。
　　(2)基于改進(jìn)的“三明治”新方法,采用高速攝影手段,首次從側(cè)面直接觀測(cè)了萬(wàn)瓦級(jí)光纖激光深熔焊接超細(xì)長(zhǎng)小孔內(nèi)壁,小孔內(nèi)壁充滿皺褶,并沿小孔壁向下流動(dòng),同時(shí)

4、熔融金屬微滴直接從皺褶波峰脫離穿過(guò)小孔向后沿飛去。特別地,在小孔前沿壁面存在液體臺(tái)階,向下高速流動(dòng),速度可達(dá)8m/s-15m/s。
　　在直觀觀測(cè)萬(wàn)瓦級(jí)光纖激光深熔焊接厚板缺陷產(chǎn)生時(shí)的超大金屬蒸汽/等離子體團(tuán)、超細(xì)長(zhǎng)小孔和熔池動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的基礎(chǔ)上,結(jié)合大量工藝試驗(yàn)研究,揭示了飛濺、表面塌陷與底部駝峰和釘子頭焊縫缺陷的產(chǎn)生機(jī)理。焊接飛濺產(chǎn)生的主要驅(qū)動(dòng)力是小孔內(nèi)蒸發(fā)蒸汽反沖壓力和高速噴射的金屬蒸汽/等離子體對(duì)熔融金屬的摩擦力。飛濺產(chǎn)生

5、的基本過(guò)程為:局部蒸發(fā)——熔融金屬加速向上(下)流動(dòng)——垂直動(dòng)量積累超出表面張力——熔融金屬脫離熔池形成飛濺?？淄饨饘僬羝?等離子體對(duì)熔融金屬的剪切作用使得飛濺在穿過(guò)孔外金屬蒸汽/等離子體云時(shí)有一個(gè)“加速過(guò)程”。焊縫塌陷和底部駝峰的產(chǎn)生是由于小孔前沿壁流動(dòng)的液體臺(tái)階處局部蒸發(fā)導(dǎo)致的熔融金屬高速向下流動(dòng),大量熔融金屬聚集在底部熔池或直接噴出熔池,底部熔融金屬不斷積累形成熔滴,在重力作用下下掉而形成底部駝峰,焊縫上表面缺少熔融金屬的補(bǔ)充而塌

6、陷。釘子頭焊縫的產(chǎn)生機(jī)理是小孔內(nèi)部劇烈的蒸汽反沖壓力和金屬蒸汽/等離子體高速向上噴射對(duì)小孔壁的摩擦力驅(qū)動(dòng)底部和周圍熔融金屬沿小孔壁向上流動(dòng),并聚集到小孔開(kāi)口,然后在表面張力作用下形成由中心向外的Marangoni對(duì)流,從而增大熔池上部的熔化寬度,最終形成釘子頭焊縫。
　　(3)對(duì)萬(wàn)瓦級(jí)光纖激光深熔焊接厚板焊接缺陷的控制方法進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,離焦量是萬(wàn)瓦級(jí)光纖激光深熔焊接厚板過(guò)程中一個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)。負(fù)離焦時(shí),匹配優(yōu)化離焦量和焊接

7、速度可以獲得穩(wěn)定的金屬蒸汽/等離子體、小孔和熔池的耦合效果,從而有效抑制缺陷獲得成形良好的全熔透焊縫。背保護(hù)氣體不僅改善了焊縫下表面成形,同時(shí)改善了焊縫上表面成形使整個(gè)焊縫截面呈“I”型。側(cè)吹氣體射流輔助激光深熔焊接,可以較好抑制釘子頭焊縫和上表面飛濺的產(chǎn)生。當(dāng)激光束沿焊接方向向前傾斜適當(dāng)角度時(shí),可以有效抑制上表面飛濺的產(chǎn)生。采用橫焊焊接方位時(shí),可以有效抑制焊縫塌陷與底部駝峰的產(chǎn)生。
　　(4)對(duì)萬(wàn)瓦級(jí)光纖激光深熔焊接厚板焊縫接頭

8、組織性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,熔合區(qū)兩側(cè)邊緣是柱狀晶,且對(duì)稱向焊縫中心生長(zhǎng)。焊縫中心區(qū)主要是等軸樹(shù)枝晶。焊縫組織仍為奧氏體組織,并在奧氏體基體上存在少量鐵素體。焊縫接頭拉伸斷裂在母材,最大拉伸應(yīng)力高達(dá)809MPa,最大應(yīng)變?yōu)?5％。斷口呈典型的杯錐形,焊縫斷口由纖維區(qū)和剪切唇組成。纖維區(qū)由細(xì)小而均勻一致的深蜂窩狀韌窩組成,表明拉伸試件是承受拉伸載荷而韌性斷裂?；诒疚牡难芯砍晒?成功實(shí)現(xiàn)了15kW光纖激光自熔焊接核反應(yīng)堆堆芯圍筒厚板,焊